KAIST 홍승범 교수팀, 왜곡 신호를 제거한 전자전도도 영상화 기법 개발

고에너지 밀도를 갖는 리튬이온 배터리에 대한 수요가 크게 늘면서 실리콘 기반 음극 개발에 관한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 실리콘 활물질은 기존 음극 활물질인 흑연 대비 높은 용량 값(4200mAh/g)을 지녀 고에너지 밀도를 가지는 리튬이온 배터리용 음극의 유력한 후보로 자리 잡고 있다. 

허나 충·방전 간 400%에 달하는 높은 부피 팽창·수축률이 실리콘 활물질의 상업화를 방해하고 있다. 실리콘 기반 음극의 급격한 부피 변화는 특히 전극 내 전자 전달 시스템에 악영향을 미치고 있어 다양한 도전재 시스템을 적용하는 연구가 활발히 진행 중이다. 

전극 내 전자 전도 채널의 확보는 활물질 내 균등한 전기화학 반응을 유발하기 위해 필수다. 허나 이를 나노스케일 공간 분해능을 갖고 영상화하는 방법론에 관해서는 많은 연구가 진행되지 않은 실정이다.

카이스트(KAIST)는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 LG에너지솔루션(LG엔솔)과 함께 나노스케일 분해능으로 전극 내 전자 전도 채널을 왜곡 신호 없이 정량적으로 추출하는 방법론을 개발하는 데 성공했다고 8일 밝혔다. 

연구팀은 전극 소재와 같이 표면 거칠기가 큰 시료에서 전도성 원자간력현미경(C-AFM) 운용 시 발생하는 왜곡 정보인 용량성 전류(capacitive current)의 원인을 규명하고, 피어슨 상관 분석 방법을 기반으로 해당 왜곡 정보를 제거했다.

이 방법론을 실리콘·흑연 기반 복합 음극에 적용해 도전재 성분에 따른 전자 전도 채널 영상화를 진행해 단일벽 탄소나노튜브(SWNCT)가 적용된 전극의 전기적·전기화학적 우수성을 입증하는 데 성공했다. 

연구팀은 이번 연구를 통해 실리콘 기반 전극과 같이 활물질의 부피 변화가 큰 시스템에서는 기존의 점형 도전재 대비 선형의 구조적 장점을 갖고 있는 SWCNT가 안정적인 전자 전도 채널을 확보하는 데 유리함을 보였다고 밝혔다.

SWCNT가 포함된 복합 전극의 경우 130사이클 이후에도 활물질의 분쇄가 보다 억제됐음을 보여주며, 전자 전도 채널의 불균일성이 활물질의 구조적 안정성에도 영향을 미칠 수 있음을 가설을 들어 설명했다. 

제1 저자인 KAIST 신소재공학과 박건 박사과정은 “전자 전도 채널 불균일이 유발한 전극의 전기화학 특성 퇴화라는 주제로 후속연구를 진행 중”이라며 “나노스케일 영상화를 기반으로 지금껏 관찰하지 못했던 현상을 탐구할 수 있었다”고 말했다. 

교신저자인 홍승범 교수는 “왜곡 신호의 원인을 규명하고, 이를 정량적으로 제거하는 연구는 영상화 분야에서 매우 중요하다”며 “이번에 개발한 방법론이 전극 내 전자 전도 채널을 강화하는데 적용돼, 실리콘 기반 복합 음극의 고도화를 앞당기는 데 도움이 되길 기대한다”고 전했다.

LG에너지솔루션-KAIST 프론티어 리서치 랩(Frontier Research Lab)과 KAIST 글로벌 특이점 사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤드 인터페이시스(ACS Applied Materials & Interfaces)’에 게재됐다.